GPS系统组成及信号解析

(3)混合型接收机
这种仪器是综合上述两种接收机的优点， 既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相 位观测值。
(4)干涉型接收机
这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采 用干涉测量方法，测定两个测站间距离。
天线单元
接收单元（频率维持通常采用石英钟）
接收单元（频率维持通常采用石英钟） 信号通道类型： 多路复用，序惯，多通道；码相关通道， 平方通道
• 试验卫星：Block Ⅰ
• 工作卫星：Block Ⅱ
– Block Ⅱ
– Block ⅡA
– Block ⅡR
– Block ⅡF（新一代的GPS卫星）
第一代卫星现已停止工作。
第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座， 通常称为GPS工作卫星。Block ⅡA的功能比 Block Ⅱ大大增强，表现在军事功能和数据 存储容量。Block Ⅱ只能存储供45天用的导 航电文，而Block ⅡA则能够存储供180天用 的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫 星。
(3) 授时型接收机 这类接收机主要利用GPS卫星提供
的高精度时间标准进行授时，常用于天 文台及无线电通讯中时间同步。
2.按接收机的载波频率分类
(1) 单频接收机
单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波 相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层 延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km） 的精密定位。
4.1.2 GPS的空间部分
GPS卫星星座
设计星座：21+3
21颗正式的工作卫星+3颗活 动的备用卫星
6个轨道面，平均轨道高度 20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min
保证在24小时，在高度角15以 上，能够同时观测到4至8颗卫星
–当前星座：28颗
GPS卫星 作用： 发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核 暴等。 主要设备：原子钟（2台铯钟、2 •类型台铷钟）、信号生成与发射装置
第4章 GPS系统组成及信号
本章内容
4.1 GPS的系统组成 4.2 GPS的信号结构 4.3 美国政府GPS政策
4.1 系统组成
GPS的系统组成 GPS的空间部分 用户设备部分
4.1.1 GPS的系统组成
GPS系统由空间部分、 地面控制部分和用 户设备部分等三部 分组成
Block Ⅱ卫星
Block ⅡR卫星
Hale Waihona Puke Baidu
GPS卫星星座（=35 ，=90）
4.1.3 地面监控部分
GPS的地面控制部分（地面监测系统） 组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和
注入站（3个） 作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星
历（导航电文），保持系统时间。
主控站 监控站
监控站
注入站（3个） 作用：将导航电文注入GPS卫星。 地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加 西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平 洋）。
4.1.3 用户设备部分
用户设备部分 - GPS信号接收机及相关设备 接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备 多数采用石英钟 GPS接收机: 能够接收、跟踪、变换和测量
存储器 计算与显控 电源
GPS信号接收机
组成 天线单元 –带前置放大器 –接收天线
接收单元 –信号通道 –存储器 –微处理器 –输入输出设备 –电源
天线单元 接收单元
天线单元 类型
单极天线
微带天线
锥形（螺旋）天 线
–四丝螺旋 天线
–空间螺旋 天线
背腔平面盘旋天 线
单极天线 微带天线
四丝螺旋天线 背腔平面盘旋天线
注入站/监控站
注入站/监控站
注入站/监控站
地面监控系统工作流程
主控站（1个） 作用： 收集各检测站的数据，编制导航电文， 监控卫星状态； 通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫 星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。
跟踪站（5个） 作用：接收卫星数据，采集气象信息， 并将所收集到的数据传送给主控站。 地点：夏威夷、主控站及三个注入站。
GPS信号的卫星信号接收设备
1.按接收机的用途分类可分为：
(1) 导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的
导航，它可以实时给出载体的位置和速 度。单点实时定位精度较低，一般为 ±25m,有SA影响时为±100m。根据应用 领域的不同，此类接收机可以进一步分 为：
车载型——用于车辆导航定位；
(2) 双频接收机
双频接收机可以同时接收Ｌ１，Ｌ２载波信 号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除 电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收 机可用于长达几千公里的精密定位。
3.按接收机通道数分类
GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号， 为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫 星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器 件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道 种类可分为：
(1) 多通道接收机 (2) 序贯通道接收机 (3) 多路多用通道接收机
4.按接收机工作原理分类
(1)码相关型接收机
码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距 观测值。
(2)平方型接收机
平方型接收机是利用载波信号的平方技术去 掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过 相位计测定接收机内产生的载波信号与接收 到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。
第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫 星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己 进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器， 计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强 自主能力和生存能力。椐报道，该卫星在没有 与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精 度可与有地面控制时的精度相当。
Block Ⅰ卫星
空间螺旋天线
GPS天线
特点 单极天线 –单频获双频（双极结构）、需要较大的底 板、相位中心稳定、结构简单
微带天线 –结构简单、单频或双频、侧视角低（适合 于机载应用）、低增益、应用最为广泛
航海型——用于船舶导航定位；
航空型——用于飞机导航定位。由于飞 机运行速度快，因此，在航空用的接收机 要求能适应高速运动。
星载型——用于卫星的导航定位。由于卫 星的运动速度高达7公里/秒以上，因此对 接收机的要求更高。
(2) 测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测
量和精密工程测量。这类仪器主要采用 载波相位观测值进行相对定位，定位精 度高。仪器结构复杂，价格较贵。